§ 23. Генетычны код і яго ўласцівасці

Як вы ведаеце, прыметы і ўласцівасці кожнага арганізма вызначаюц­­ца перш за ўсё бялкамі, якія сінтэзуюцца ў яго клетках. Бялкі выконваюць самыя разнастайныя функцыі (успомніце якія) і забяспечваюць тым самым працяканне працэсаў жыццядзейнасці. Можна сказаць, што менавіта ад гэтых біяпалімераў у першую чаргу і залежыць існаванне арганізма. Аднак час функцыянавання бялкоў, як і многіх іншых біямалекул, вель­мі абмежаваны. Таму сінтэз бялкоў у арганізме павінен ажыццяўляцца бесперапынна. Гэты працэс працякае ва ўсіх клетках аднаклетачных і мнагаклетачных арганізмаў.

Вам таксама вядома, што захавальнікам спадчыннай (генетычнай) інфармацыі, г. зн. інфармацыі пра першасную структуру бялкоў, з’яў­ляецца ДНК. Участак малекулы ДНК, які змяшчае інфармацыю пра першасную структуру аднаго бялку, атрымаў назву ген. Акрамя таго, генамі называ­юць участкі ДНК, якія захоўваюць інфармацыю пра будову малекул рРНК і тРНК.

У біясінтэзе бялкоў, які ажыццяўляецца ў рыбасомах, ДНК прамога ўдзелу не прымае. Перадача генетычнай інфармацыі, якая змяшчаецца ў ДНК, да месца сінтэзу бялку адбываецца з дапамогай пасрэдніка. Гэтым пасрэднікам з’яўляецца матрычная (інфармацыйная) РНК (мРНК  іРНК), якая сінтэзуецца на адным з ланцугоў малекулы ДНК па прынцыпе камплементарнасці.

У малекулах ДНК і мРНК інфармацыя пра першасную структуру бялкоў «запісана» ў выглядзе паслядоўнасці нуклеатыдаў. Самі ж бялкі сінтэзуюцца з амінакіслот. Значыць, у прыродзе існуе асаблівая сістэма кадзіравання, на аснове якой паслядоўнасць нуклеатыдаў расшыфроўваецца ў выглядзе паслядоўнасці амінакіслот малекул бялкоў. Гэты «шыфр» называецца генетычным кодам. Такім чынам, генетычны код — гэта сістэма запісу інфармацыі пра першасную структуру бялкоў у выглядзе паслядоўнасці нуклеатыдаў ДНК (мРНК).

Генетычны код валодае наступнымі ўласцівасцямі.

1. Код з’яўляецца трыплетным. Гэта значыць, што кожная амінакіслата кадзіруецца трыплетам (кадонам) — спалучэннем трох паслядоўна размешчаных нуклеатыдаў. У састаў малекул ДНК і РНК уваходзіць па 4 тыпы нуклеатыдаў. Калі б за пэўную амінакіслату «адказваў» адзін нуклеатыд, можна было б закадзіраваць толькі 4 з 20 бялокутваральных амінакіслот. Дублетаў (па два нуклеатыды) хапіла б толькі на 42 = 16 аміна­кіслот. Колькасць магчымых трыплетаў (спалучэнняў трох нуклеаты­даў) складае 43 = 64. Гэтага з лішкам хапае для кадзіравання ўсіх 20 відаў амінакіслот  (табл. 23.1).

Табліца 23.1. Генетычны код, паказаны нуклеатыды мРНК (іРНК)
(першы нуклеатыд трыплета бяруць з левага вертыкальнага рада,
другі — з гарызантальнага рада, трэці — з правага вертыкальнага)

Звярніце ўвагу, што 3 з 64 кадонаў (у малекулах мРНК — УАА, УАГ и УГА) не кадзіруюць амінакіслоты. Гэта так званыя стоп-кадоны *або нонсэнс-кадоны (ад англ. nonsense — бязглуздзіца)*, яны служаць сігналам заканчэння сінтэзу бялку. *Іншыя трыплеты называюцца сэнсавымі.*

*Генетычны код расшыфравалі амерыканскія біяхімікі Р. Холі, Х. Г. Карана і М. Нірэнберг у сярэдзіне мінулага стагоддзя. Даследаванне стартавала ў 1961 г. У бясклетачныя сістэмы, якія змяшчаюць усе патрэбныя кампаненты для сінтэзу бялку (рыбасомы, амінакіслоты, тРНК і інш.), вучоныя спачатку ўводзілі штучна сінтэзаваныя мРНК, якія складаюцца толькі з аднаго тыпу нуклеатыдаў. Было высветлена, што ў прысутнасці, напрыклад, поліцытыдзілавай мРНК (ЦЦЦЦЦЦ...) сінтэзуецца поліпептыд, які складаецца толькі з астаткаў амінакіслаты праліну, у прысутнасці поліурыдзілавай (УУУУУУ...) — з фенілаланіну. Стала зразумела, што кадону ЦЦЦ адпавядае пралін, а трыплет УУУ кадзіруе фенілаланін. Да 1965 г., дзякуючы выкарыстанню штучна сінтэзаваных малекул мРНК з вядомымі паўторнымі паслядоўнасцямі нуклеатыдаў, атрымалася расшыфраваць усе іншыя трыплеты. У 1968 г. гэта адкрыццё было ўдастоена Нобелеўскай прэміі.*

2. Код адназначны — кожны трыплет кадзіруе толькі адну амінакіслату.

3. Як ужо адзначалася, лік трыплетаў перавышае колькасць амінакіслот, якія кадзіруюцца. Таму генетычны код з’яўляецца лішкавым (выраджаным) — адна і тая ж амінакіслата можа кадзіравацца рознымі трыплетамі. Напрыклад, у мРНК цыстэін (Цыс) можа быць закадзіраваны трыплетам У Г У ці У Г Ц, трэанін (Трэ) — А Ц У, А Ц Ц, А Ц А ці А Ц Г. Некаторыя амінакіслоты, напрыклад лейцын (Лей), кадзіруюцца шасцю рознымі трыплетамі, у той жа час метыяніну (Мет) і трыптафану (Трп) адпавядае толькі па адным кадоне (праверце па табліцы генетычнага кода).

4. Код не перакрываецца — адзін і той жа нуклеатыд не можа адначасова ўваходзіць у састаў двух суседніх трыплетаў.

5. Код бесперапынны. У полінуклеатыдным ланцугу нуклеатыды размяшчаюцца бесперапынна і суседнія трыплеты нічым не аддзелены адзін ад аднаго. Гэта значыць, што фактычна дзяленне на трыплеты ўмоўнае — усё залежыць ад таго, з якога менавіта нуклеатыду пачынаецца іх счытванне. Таму ў клетках счытванне інфармацыі, якая змяшчаецца ў генах, заўсёды пачынаецца са строга вызначанага нуклеатыду. 

Калі ў саставе гена адбываецца змяненне колькасці нуклеатыдаў (іх выпадзенне ці ўстаўка) на лік, не кратны тром, назіраецца так званы зрух рамкі счытвання (мал. 23.1). Гэта прыводзіць да істотнага змянення паслядоўнасці амінакіслот у бялку, які кадзіруецца змененым генам. У некаторых выпадках зрух рамкі счытвання прыводзіць да ўзнікнення стоп-кадонаў, з прычыны чаго сінтэз бялку абрываецца. 

*Сутнасць счытвання, якое адбываецца пры зруху рамкі, можна зразумець на наступным прыкладзе. Прачытайце на рускай мове сказ, складзены з трохлітарных слоў (аналагічна трыплетам):

ЖИЛ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ.

У гэтым сказе закладзены пэўны сэнс, зразумець які можна і без знакаў прыпынку. Выпадзенне адной літары аналагічнае выпадзенню аднаго нуклеатыду. Яно прыводзіць да змянення парадку счытвання і страце сэнсу:

ЖЛБ ЫЛК ОТТ ИХБ ЫЛС ЕРМ ИЛМ НЕТ ОТК ОТ — выпадзение другой літары.

Тое ж самае адбылося б і пасля ўстаўкі лішняй літары. У выпадку замены адной літары або пры змяненні іх колькасці на тры сэнс сказа змяняецца не так значна. Напрыклад:

ЖИВ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ — замена трэцяй літары;

БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ — выпадзенне першых трох літар.

Аднак сэнс сказа (у нашай аналогіі — першасная структура бялку) шмат у чым залежыць ад становішча змененых літар (нуклеатыдаў). Так, сэнс можа істотна сказіцца:

ЖИЛ БОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ — выпадзенне 5-й, 6-й і 7-й літар.

Аналагічная сітуацыя назіраецца і з бялкамі. У залежнасці ад размяшчэння замененай (згубленай, дабаўленай) амінакіслаты малекула бялку можа захаваць прасторавую канфігурацыю і функцыі, часткова змяніць іх ці ж цалкам страціць свае зыходныя характарыстыкі.*

Як ужо адзначалася, правільнае счытванне генетычнай інфармацыі забяспечваецца толькі тады, калі яно пачынаецца са строга вызначанай пазіцыі. У эўкарыёт стартавым кадонам малекулы мРНК з’яўляецца трыплет А У Г. Менавіта з яго і пачынаецца счытванне.

6. Код універсальны — ва ўсіх жывых арганізмаў адным і тым жа трыплетам адпавядаюць адны і тыя ж амінакіслоты. Іншымі словамі, ва ўсіх арганізмаў генетычны код расшыфроўваецца аднолькава (за рэдкім выключэннем). Гэта сведчыць пра адзінства паходжання жывых арганізмаў.

*Некаторыя варыяцыі генетычнага кода выяўлены ў бактэрый, інфузорый, дражджэй, у кодзе мітахандрыяльнай ДНК і г. д. Напрыклад, у бактэрый трыплет мРНК Г У Г можа адыгрываць ролю стартавага кадона, а ў эўкарыёт ён прызначаны толькі для кадзіравання амінакіслаты валін. У мітахондрыях млекакормячых трыплет У Г А кадзіруе трыптафан, у той час як у матрычнай РНК, сінтэзаванай у ядры клеткі, ён служыць стоп-кадонам. І наадварот, у кодзе мітахондрый трыплеты А Г А і А Г Г з'яўляюцца сігналамі заканчэння сінтэзу бялку, а ў «асноўнай версіі» генетычнага кода ім адпавядае амінакіслата аргінін.*